用電池容量的一半點(diǎn)亮白色LED

　無論將其用做指示器還是用來照明，LED的效率、可靠性和成本都是難超越的。白色LED用作照明光源就像它用LCD背景光源一樣，正在迅速普及，但是由于其正向電壓一般為3~5V，用一節(jié)電池驅(qū)動白色LED顯然存在種種困難。本設(shè)計(jì)利用單柵施密特倒相器，例如Texas Instruments 公司(www.ti.com)的SN74AUC1G14或者Fairchild 公司(www.fairchildsemi.com)的NC7SP14 的超低工作電壓性能(圖1)。當(dāng)首先加上電池電源時(shí)，肖特基二極管D₁導(dǎo)通，大家熟悉的施密特觸發(fā)器非穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器開始振蕩，振蕩頻率取決于定時(shí)元件C₂和R₁。當(dāng)IC₁的輸出變?yōu)楦唠娢粫r(shí)，晶體管Q₁導(dǎo)通，電感器L₁中的電流開始逐漸增大。電感器電流的最大電平，即峰值電平為I_L(PEAK)=(V_BATT-V_CE(SAT))t_ON/L₁，式中V_BATT為所加的電池電壓，V_CE(SAT)為Q₁的飽和電壓，而t_ON為施密特觸發(fā)器輸出高電平脈沖的持續(xù)時(shí)間。如果Q₁的飽和電壓譬如說低于50 mV，則可以忽略V_CE(SAT)并將公式簡化為I_L(PEAK)=V_BATTt_ON/L₁。
　　在t_ON結(jié)束時(shí)，倒相器輸出變?yōu)榈碗娢?，Q₁截止，電感器L₁兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)。由此產(chǎn)生的"逆轉(zhuǎn)"電壓立即使Q₁的集電極電壓升高到超過V_BATT，并使串聯(lián)的LED和D₂正向偏置。這一動作使LED因有等于I_L(PEAK)的最大正向電流流過而發(fā)光，并將IC₁的供電電壓VBOOT升高到比V_BATT還大的一個二極管壓降。此時(shí)D₁是反向偏置的，而且反向偏置的時(shí)間與電路保持振蕩的時(shí)間相同。由此產(chǎn)生的IC₁的"自舉"電源電壓確保非穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器即使在V_BATT降低到很低電平時(shí)仍能夠繼續(xù)工作。C₂的電容值和R₁的阻值應(yīng)選擇得能產(chǎn)生幾微秒的時(shí)間常數(shù)，從而允許電感器L₁的電感值很小。例如，一個參數(shù)值分別為C₂=68 pF，R₁=39 kΩ和L₁=47μH的測試電路在V_BATT=1V時(shí)產(chǎn)生約為150 kHz的工作頻率。由此得到的t_ON=3μs這一參數(shù)值可導(dǎo)致約為65 mA的峰值電感器電流，并使白色LED產(chǎn)生極高的亮度。即使V_BATT小至500 mV，相應(yīng)的33 mA峰值電流仍可產(chǎn)生足夠的LED發(fā)光強(qiáng)度。
　　為了在最低電源電壓下維持高峰值電流，并因而產(chǎn)生足夠的LED亮度，電感值應(yīng)該盡可能小些。然而，L₁也不能太小，否則峰值電流在V_BATT為最大值時(shí)就可能超過LED的額定最大電流。切記電感器應(yīng)該有足夠大的額定電感值，以保證其在最大峰值電流值時(shí)不會飽和。開關(guān)晶體管Q₁應(yīng)該具有很低的飽和電壓，以便將損耗降到最低并產(chǎn)生盡可能最高的峰值電流。增加D₃和C₄兩個元件，能使電路產(chǎn)生一個輔助電源電壓V_AUX，供用來驅(qū)動低功耗電路，而不會對LED的亮度產(chǎn)生不利影響。在電池電壓為1V時(shí)，該測試電路能使白色LED產(chǎn)生良好的發(fā)光強(qiáng)度，并可向輔助負(fù)載輸出4.7V電壓和幾乎1.5 mA的電流。即使在V_BATT=500 mV時(shí)，該測試電路也可為10kΩ負(fù)載提供340 μA的電流，并維持足夠大的LED亮度。要注意的是，IC₁無法從輔助電路獲得供電，因?yàn)閂_AUX很容易超過所建議的兩類器件的最大額定電壓。
　　最小啟動電壓主要取決于用做D₁的器件。采用高質(zhì)量肖特基二極管的種種測試表明，最小加電電壓只有800mV。你只要用pnp晶體管Q₂替代D₁，就可進(jìn)一步降低最小啟動電壓電平(圖1b)。這種改進(jìn)使得測試電路在室溫下僅需650 mV就可以啟動。但要注意的是，Q₂的集電極-基極結(jié)在靜態(tài)條件下變成正向偏置，從而造成其基極偏置電阻浪費(fèi)電能。該電路盡管非常簡單，但卻能使高亮度LED產(chǎn)生引人入勝的效果。Lumileds公司(www.lumileds.com)生產(chǎn)的Luxeon系列LED能使該電路顯示出其威力。在將L₁降低到10μH和V_BATT=1V的條件下，該電路能在Luxeon LXHL-PW01白色LED中產(chǎn)生了220 mA的峰值電流，從而產(chǎn)生耀眼的光強(qiáng)度。

圖1 這一電路利用超低電池電壓，可使白色LED產(chǎn)生耀眼的強(qiáng)度 (a)。經(jīng)過一項(xiàng)改進(jìn)之后，該電路可以使用更低的電池電壓 (b)。